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Permeat(ion): Das Wichtigste kompakt erklärt
Ganz einfach ausgedrückt ist Permeat, das im Kontext der Membrantrennverfahren auch Filtrat genannt wird, aufbereitetes (reines) Wasser und zugleich das Endprodukt bei der Umkehrosmose. In der Membrantechnik ist „Permeat“ der Fachbegriff für Fluide bzw. wässrige Lösungen, die mittels Membranfiltration von Ionen verschiedener Salze, Bakterien und Schwermetallen befreit wurden. Der Begriff „Permeation“ geht auf das lateinische Wort „permeare“ zurück, was „durchdringen“ oder „durchlaufen“ bedeutet – allgemein formuliert, beschreibt es den Prozess, bei dem eine Substanz (hier das Permeat) einen mit Poren versetzten Festkörper durchdringt (d. h. diffundiert).
Inhaltsverzeichnis
Permeat im Kontext der Wasseraufbereitung (Umkehrosmose)
Um dem Ganzen etwas mehr Kontext zu geben, wird es im Folgenden um das Verfahren der Umkehrosmose gehen. Dieses Membranverfahren ist neben der Methode des Ionenaustauschs eines der wichtigsten Verfahren, um Prozess- bzw. Leitungswasser entsprechend der benötigten Wasserqualität aufzubereiten.
Innerhalb der Membranfiltration ist die Umkehrosmose das bevorzugte Verfahren, wenn es darum geht, Teilchen im Mikro- bzw. Nanometerbereich aus dem zu behandelnden Wasser zu filtern. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Mikrofiltration, Nanofiltration und Ultrafiltration weitere physikalische Membranverfahren zur Wasseraufbereitung sind. Damit nun die gelösten Ionen von der Flüssigkeit getrennt werden können, macht man sich das Prinzip der Umkehrosmose zunutze. Es funktioniert entgegengesetzt zum Naturphänomen der Osmose. Durch sehr hohen Druck ist es möglich, dass es nicht zu einem Konzentrationsausgleich zwischen Innen- und Außenraum der Membran kommt – Permeat ist das Ergebnis der Umkehrosmose. Doch schauen wir uns die Funktionsweise der Umkehrosmose am besten einmal genauer an.
Permeat vs. Konzentrat: So funktioniert die Umkehrosmose
Bei der Umkehrosmose wird Rohwasser (im Fachjargon „Feed“ genannt) mit hohem Druck gegen eine halbdurchlässige Membran gepresst, die nur das Wasser hindurchlässt, leitfähige Teilchen und organische Verunreinigungen jedoch nicht. Oder anders ausgedrückt: Die Filtermembranen in den Osmoseanlagen sind so feinporig, dass lediglich die H⁺- und OH⁻-Moleküle des Wassers durch sie „gedrückt“ werden, nicht aber gelöste Ionen (z. B. Magnesium- und Calcium-Ionen) sowie Organika oder Schwebstoffe. Die zurückgehaltenen Salze und Verunreinigungen sammeln sich auf der einen Seite der Membran an, man nennt diesen Teilstrom Konzentrat oder auch Retentat. Als Endprodukt sammelt sich auf der anderen Seite der Membran das reine, gefilterte Wasser an, das Permeat, welches von Laien auch häufig als Osmosewasser bezeichnet wird.
In der Praxis lässt sich aus 1 Liter Rohwasser ca. 0,75 Liter Permeat gewinnen, die 0,25 Liter Konzentrat werden entweder (in seltenen Fällen) mit einem Verdampfer weiter aufkonzentriert oder direkt in die Kanalisation eingeleitet. Der große Vorteil einer Umkehrosmoseanlage bei der VE-Wasseraufbereitung besteht darin, dass in der Regel kein Abwasser entsteht, das aufwendig gereinigt oder nachbehandelt werden muss. Zudem sind keine Chemikalien für die Wasseraufbereitung nötig.
Umkehrosmoseanlagen kommen beispielsweise in der industriellen Reinstwasserherstellung zum Einsatz, in der Regel sind sie Mischbettaustauschern vorgeschaltet. Den Umkehrosmoseanlagen sind wiederum Verfahren wie die mechanische Partikelfiltration oder Enthärtung vorgelagert. Doch wieso ist das so?
Permeat als Ergebnis mehrerer Wasseraufbereitungsverfahren
Im ersten Moment klingt das vielleicht konträr zur beschriebenen Funktionsweise der Umkehrosmose. In der Theorie „genügt“ das Prinzip der Umkehrosmose, um aus Rohwasser Permeat zu gewinnen. Doch in der Praxis geht es primär darum, Wasser entsprechend der benötigten Gütekriterien sowie unter wirtschaftlichen Aspekten aufzubereiten. Daher wird das zu behandelnde Rohwasser stets mit dem kostengünstigsten Verfahren so lange aufbereitet, bis die gewünschte Wasserqualität nicht mehr eingehalten werden kann. Durch die kombinierte Verfahrenstechnik wird gleichzeitig verhindert, dass Störstoffe wie Mikroorganismen oder zum Beispiel auch Kalkablagerungen die komplexen Umkehrosmose-Membranen verblocken (Scaling bzw. Biofouling).
Geht es darum, VE-Wasser oder Reinstwasser herzustellen, könnte ein beispielhafter Verfahrensablauf so aussehen: Leitungswasser wird mittels Partikelfiltration, Enthärtung, Umkehrosmose und Ionenaustausch Schritt für Schritt von jeglichen Ionen und organischen Partikeln befreit. Durch diese Reihenschaltung erreicht das Permeat eine sehr niedrige Leitfähigkeit und ist zudem steril und keimfrei – nur wenn das aufbereitete Wasser diese Eigenschaften erfüllt, eignet es sich für die verschiedenen Anwendungszwecke, die wir im nächsten Abschnitt zusammengetragen haben.
Welche Leitfähigkeit hat Permeat?
Das kommt darauf an, für welchen Anwendungszweck das Rohwasser mit was für einem Anlagen-Typ aufbereitet wird. Geht es darum, reines Wasser für das privathäusliche Aquarium aufzubereiten, erreichen herkömmliche Osmoseanlagen für den Hausgebrauch bereits sehr niedrige Leitfähigkeitswerte von ca. 20 bis 50 µS/cm (Mikrosiemens pro Zentimeter). Darüber hinaus erreichen industrielle Umkehrosmoseanlagen zur Herstellung von VE- oder Reinstwasser Leitwerte unterhalb von 1 µS/cm.
In welchen Branchen fällt Permeat innerhalb der Wasseraufbereitung an?
- Innerbetriebliche (Spül-)Wasseraufbereitung: Abhängig von der Rohwasserzusammensetzung ist eine Umkehrosmoseanlage in der Regel die wirtschaftlichste Möglichkeit, um Stadtwasser entsprechend der Güteanforderungen des betriebsinternen Prozess- bzw. Kreislaufwassers (z. B. zu VE-Wasser) aufzubereiten.
- Abwasserbehandlung: Das durch Umkehrosmose gereinigte Abwasser (Filtrat) wird in einem geschlossenen Kreislauf erneut dem Produktionsprozess zugeführt, das Konzentrat wird entweder weiterbehandelt (z. B. durch Destillation, Filterpressen) oder extern entsorgt.
- Heiztechnik: Zur Herstellung von demineralisiertem Wasser (Deionat) mit sehr niedriger Leitfähigkeit kommen unter anderem Umkehrosmosefilter zum Einsatz.
- Aquaristik: Um Leitungswasser entsprechend den Anforderungen in der Zierfischhaltung aufzubereiten, sind Umkehrosmoseanlagen unter Aquarianern sehr beliebt und oft die kostengünstigere Methode gegenüber der Vollentsalzung oder gar Destillation.
Wann ist das Verfahren der Umkehrosmose sinnvoll?
Ob sich primär die Umkehrosmose zur Wasseraufbereitung oder doch ein anderes Verfahren eignet, hängt von mehreren Faktoren ab – unter anderem vom benötigten Reinheitsgrad und von betriebsinternen Strukturen.
Dazu gehört die Finanzierung einer Umkehrosmoseanlage. Diese ist im Vergleich mit einem Ionenaustauscher kostspieliger in der Anschaffung, dafür günstiger im Betrieb. Die primären Betriebskosten der Osmoseanlage sind die Energiekosten. Diese sind jedoch im Gegensatz zu den Kosten für die Chemikalien, die bei der Regeneration eines Ionenaustauschers nötig sind, sehr gering.
Wenn es darum geht, Wasser zu entsalzen, also keine organischen Stoffe zu entfernen, eignet sich aufgrund der hohen Effektivität und des ökonomischen Aspekts meist eher ein Ionenaustauscher. Denn mit einer herkömmlichen Umkehrosmoseanlage erreicht man keinesfalls so niedrige Leitfähigkeitswerte wie mit einem Mischbettaustauscher (Vollentsalzer). Außerdem haben Vollentsalzer im direkten Vergleich mit Umkehrosmoseanlagen noch einen weiteren Vorteil: Erstere können aus 1 Liter Trinkwasser 1 Liter VE-Wasser herstellen. Bei Umkehrosmoseanlagen beträgt die Ausbeute dagegen nur ca. 0,75 Liter Permeat und 0,25 Liter Konzentrat.
Soll das zu behandelnde (Ab-)Wasser nicht nur entsalzt, sondern darüber hinaus auch steril und keimfrei sein, kann es im Anschluss an die Umkehrosmose zusätzlich destilliert werden. Generell ist es ratsam, Umkehrosmoseanlagen mit nachgeschalteten Mischbettfiltern oder gegebenenfalls Destillieranlagen zu kombinieren.
Um noch einmal auf den Reinheitsgrad zurückzukommen: Bei der Herstellung von Reinstwasser sollte man sich immer die Frage nach dem Anwendungszweck stellen. Benötige ich hochreines Wasser, wie es beispielsweise in der Medizintechnik mittels aufwendigem Umkehrosmose-Verfahren hergestellt wird? Oder reicht für den gedachten Einsatz womöglich auch entmineralisiertes Wasser (=VE-Wasser), das man kostengünstiger mit einem Ionenaustauscher herstellen könnte? Soll das zu behandelnde Wasser jedoch steril und keimfrei sein, empfehlen sich Umkehrosmoseanlagen.
Fazit: Permeat ist das Endprodukt bei der Umkehrosmose
Mit Permeat, auch Filtrat genannt, ist aufbereitetes Wasser gemeint. Es ist das Endprodukt der Umkehrosmose. Mit dieser Methode zur Wasseraufbereitung lässt sich sehr reines Wasser gewinnen. Dies wird durch halbdurchlässige Filtermembranen ermöglicht, die sowohl Salze als auch Bakterien und Keime zurückhalten, wodurch die konzentrierten Rückstände (Retentat) vom reinen Wasser getrennt und anschließend entsorgt werden können. Um herauszufinden, ob die Membrantechnologie die passende zur Wasseraufbereitung ist, müssen betriebsinterne und wirtschaftliche Argumente gegeneinander abgewogen werden.
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